JP4049769B2 - Refrigerant cycle equipment - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮機、放熱器、第1の減圧装置、中間圧力レシーバ、第2の減圧装置及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力にて運転される冷媒サイクル装置に関するものである。 In the present invention, a refrigerant circuit is configured by sequentially connecting a compressor, a radiator, a first pressure reducing device, an intermediate pressure receiver, a second pressure reducing device, and an evaporator in a ring shape, and the high pressure side is operated at a supercritical pressure. The present invention relates to a refrigerant cycle device.
従来のこの種冷媒サイクル装置、例えば、室内を冷房する空気調和機では、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器等を環状に配管接続して冷媒サイクルが構成されている。そして、圧縮機の圧縮要素に冷媒ガスが吸入され、圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、吐出されて放熱器に流入し、そこで冷媒が放熱する。放熱器を出た冷媒はその後、減圧装置にて絞られて蒸発器に供給される。そこで冷媒が蒸発し、その時に周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮して室内を冷却するものであった。 In a conventional refrigerant cycle apparatus of this type, for example, an air conditioner that cools a room, a refrigerant cycle is configured by connecting a compressor, a radiator, a decompressor, an evaporator, and the like in a ring shape. Then, the refrigerant gas is sucked into the compression element of the compressor and compressed to become a high-temperature and high-pressure refrigerant gas, which is discharged and flows into the radiator, where the refrigerant radiates heat. Thereafter, the refrigerant exiting the radiator is throttled by a decompression device and supplied to the evaporator. Therefore, the refrigerant evaporates, and at that time, it absorbs heat from the surroundings to exert a cooling action to cool the room.
ここで、近年では地球環境問題に対処するためこの種の冷媒サイクルにおいても、従来のフロンを用いずに自然冷媒である二酸化炭素(CO2)を冷媒として用い、高圧側を超臨界圧力として運転する装置が開発されて来ている(特許文献1参照)。
この種の冷媒サイクル装置では、放熱器において冷媒と熱交換する熱源の温度が上昇した場合、冷凍効果が著しく減少するため、それを補うために高圧側圧力を上げる必要があり、その結果、圧縮動力が増加し、性能が低下するという問題が生じていた。 In this type of refrigerant cycle device, when the temperature of the heat source that exchanges heat with the refrigerant in the radiator rises, the refrigeration effect decreases significantly, so it is necessary to increase the high-pressure side pressure to compensate for it, and as a result, compression There was a problem that the power increased and the performance decreased.
また、二酸化炭素冷媒は他の冷媒と比較して圧力損失が小さいため、減圧装置における減圧度を大きくしなければならないが、係る減圧装置として通常の電子式膨張弁を使用した場合、所望の絞り効果を得ることが困難で、適切な制御を行うことができなかった。 In addition, since the carbon dioxide refrigerant has a smaller pressure loss than other refrigerants, the degree of decompression in the decompression device must be increased. However, when a normal electronic expansion valve is used as such a decompression device, a desired throttle is required. It was difficult to obtain an effect, and proper control could not be performed.
一方、減圧装置としてキャピラリチューブを使用した場合、所望の減圧効果を得るためにはキャピラリチューブの長さを長くしたり、内径を縮小しなければならないが、内径を小さくし過ぎると、キャピラリチューブ内にスラッジや水分やオイルが詰まり、冷媒流通に支障を来す恐れがあった。しかし、通常の内径0.6mmのキャピラリチューブで所望の減圧効果を得るためには20m以上もの長さになっていた。 On the other hand, when a capillary tube is used as a decompression device, in order to obtain a desired decompression effect, the length of the capillary tube must be increased or the inner diameter must be reduced. In addition, sludge, moisture, and oil are clogged, and there is a risk of disturbing the refrigerant flow. However, in order to obtain a desired pressure reduction effect with a normal capillary tube having an inner diameter of 0.6 mm, the length is 20 m or more.
本発明は係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧側が超臨界圧力で運転される冷媒サイクル装置において、性能の維持・向上と詰まりの発生やキャピラリチューブの寸法縮小を図る。 The present invention has been made to solve the conventional technical problems, and in a refrigerant cycle device that operates at a supercritical pressure on the high-pressure side, maintenance and improvement of performance, occurrence of clogging, and reduction in size of the capillary tube Plan.
本発明の冷媒サイクル装置は、圧縮機、第1のキャピラリチューブ、第2のキャピラリチューブ、中間圧力レシーバ、膨張弁及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素を冷媒として該冷媒回路の高圧側が超臨界圧力にて運転されるものであって、圧縮機は、第1の圧縮要素と、該第1の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第2の圧縮要素とを有し、中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して圧縮機の第2の圧縮要素に吸い込ませ、中間圧力レシーバ内の液相冷媒を膨張弁にて減圧した後、蒸発器に導入すると共に、第1のキャピラリチューブの内径を第2のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を0.1mm以上0.4mm以下で構成することを特徴とする。 In the refrigerant cycle device of the present invention, a compressor, a first capillary tube, a second capillary tube , an intermediate pressure receiver, an expansion valve and an evaporator are sequentially connected in an annular manner to constitute a refrigerant circuit, and carbon dioxide is used as a refrigerant. The high-pressure side of the refrigerant circuit is operated at a supercritical pressure, and the compressor includes a first compression element and a second compression element that compresses the refrigerant compressed by the first compression element. The gas-phase refrigerant in the intermediate pressure receiver is sucked into the second compression element of the compressor through the check valve, and the liquid-phase refrigerant in the intermediate pressure receiver is decompressed by the expansion valve , and then evaporated. And the inside diameter of the first capillary tube is smaller than the inside diameter of the second capillary tube, and the inside diameter is 0.1 mm or more and 0.4 mm or less .
本発明では、圧縮機、第1のキャピラリチューブ、第2のキャピラリチューブ、中間圧力レシーバ、膨張弁及び蒸発器を順次環状に接続して冷媒回路が構成され、二酸化炭素を冷媒として該冷媒回路の高圧側が超臨界圧力にて運転されるものであって、圧縮機は、第1の圧縮要素と、該第1の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第2の圧縮要素とを有し、中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して圧縮機の第2の圧縮要素に吸い込ませ、中間圧力レシーバ内の液相冷媒を膨張弁にて減圧した後、蒸発器に導入するので、第1の圧縮要素の冷媒流量を減少させて圧縮動力を低減し、成績係数を向上させることができるようになる。また、蒸発器での冷媒流量が低下するので、蒸発器での圧力損失も低減され、性能の向上が図れる。更に、蒸発器での液相冷媒の量が増加するので、伝熱性能が向上し、総じて性能の向上を図ることができるようになる。 In the present invention, a compressor circuit, a first capillary tube, a second capillary tube , an intermediate pressure receiver, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected in a ring to form a refrigerant circuit, and carbon dioxide is used as a refrigerant . The high pressure side is operated at a supercritical pressure, and the compressor has a first compression element and a second compression element that compresses the refrigerant compressed by the first compression element. The gas-phase refrigerant in the intermediate pressure receiver is sucked into the second compression element of the compressor through the check valve, and the liquid-phase refrigerant in the intermediate pressure receiver is decompressed by the expansion valve and then introduced into the evaporator. Therefore, the refrigerant flow rate of the first compression element can be reduced to reduce the compression power and improve the coefficient of performance. Moreover, since the refrigerant | coolant flow rate in an evaporator falls, the pressure loss in an evaporator is also reduced and a performance improvement can be aimed at. Furthermore, since the amount of the liquid-phase refrigerant in the evaporator increases, the heat transfer performance is improved, and the overall performance can be improved.
更に、第1のキャピラリチューブの内径を第2のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を0.1mm以上0.4mm以下で構成したので、超臨界状態の冷媒をキャピラリチューブにて減圧することになる。この超臨界状態の冷媒は優れた溶解特性を有するため、キャピラリチューブの内径を0.1mm以上0.4mm以下と云うように小さくしても、スラッジや水分、オイルによる詰まりが生じ難くなる。従って、二酸化炭素を冷媒として用い、減圧度を大きくとらなければならない場合にも、キャピラリチューブの長さを短くしてスペース効率を改善することができるようになる。 Furthermore, since the inner diameter of the first capillary tube is smaller than the inner diameter of the second capillary tube and the inner diameter is 0.1 mm or more and 0.4 mm or less, the supercritical refrigerant is decompressed by the capillary tube. It will be. Since this supercritical refrigerant has excellent dissolution characteristics, clogging with sludge, moisture, and oil is less likely to occur even if the inner diameter of the capillary tube is reduced to 0.1 mm or more and 0.4 mm or less. Accordingly, even when carbon dioxide is used as a refrigerant and the degree of decompression must be increased, the length of the capillary tube can be shortened to improve the space efficiency.
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施例の冷媒サイクル装置210の冷媒回路図である。本実施例の冷媒サイクル装置210は、圧縮機10、放熱器12、第1の減圧装置13、中間圧力レシーバ16、第2の減圧装置17及び蒸発器20を順次環状に接続して冷媒回路が構成されている。即ち、圧縮機10の冷媒吐出管10Aは放熱器12の入口に接続されている。
FIG. 1 is a refrigerant circuit diagram of a
ここで、実施例の圧縮機10は第1の圧縮要素30と、この第1の圧縮要素30で圧縮された冷媒を圧縮する第2の圧縮要素32を有する2段圧縮式の圧縮機であり、図示しない密閉容器内に駆動要素とこの駆動要素により駆動される上記第1の圧縮要素30及び第2の圧縮要素32にて構成されている。
Here, the
図中11は、圧縮機10の第1の圧縮要素30(1段目)で圧縮された冷媒を密閉容器外部に吐出させて、第2の圧縮要素32(2段目)に導入するための冷媒導入管である。この冷媒導入管11の途中部には後述する連通管40が接続されている。
11 in the figure is for discharging the refrigerant compressed by the first compression element 30 (first stage) of the
また、放熱器12を出た冷媒配管12Aは、第1の減圧装置13の入口に接続されている。ここで、第1の減圧装置13は、第1のキャピラリチューブ14と第2のキャピラリチューブ25とから成り、第1のキャピラリチューブ14が冷媒上流側、第2のキャピラリチューブ25が第1のキャピラリチューブ14の下流側となるように配設されている。即ち、放熱器12にて放熱した冷媒は第1の減圧装置13にて上流側に設けられた第1のキャピラリチューブ14により減圧された後、その下流側に設けられた第2のキャピラリチューブ25にて減圧されることとなる。また、第1のキャピラリチューブ14は内径が0.1mm以上0.4mm以下、寸法が0.5m以上5m以下とされている。
In addition, the
一方、第1の減圧装置13の出口側に接続された冷媒配管15Aは中間圧力レシーバ16の入口に至る。この中間圧力レシーバ16は冷媒の気液を分離するためのものであり、前記第1の減圧装置13にて減圧されて気体/液体の二相混合体となった冷媒は、中間圧力レシーバ16にて液相冷媒が当該中間圧レシーバ16内に一旦貯溜される。この中間圧力レシーバ16の上方には、前述した連通管40が接続されている。この連通管40は、中間圧レシーバ16にて液相と分離された気相冷媒を圧縮機12に戻すためのものであり、連通管40の途中部には冷媒導入管11方向を順方向とする逆止弁42が設けられている。これにより、中間圧力レシーバ16にて液相冷媒と分離された気相冷媒は当該連通管40を通って、圧縮機12の冷媒導入管11に至り、第1の圧縮要素30にて圧縮された中間圧力の冷媒ガスと合流して、第2の圧縮要素32に吸入される。
On the other hand, the
他方、中間圧力レシーバ16の底面には、第2の減圧装置としての電子式膨張弁17の入口に至る冷媒配管16Aが接続されており、当該中間圧力レシーバ16にて気相冷媒と分離され一旦貯溜された液相冷媒がこの冷媒配管16Aから膨張弁17に流れる。また、膨張弁17を出た配管17Aは蒸発器20の入口に接続されている。
On the other hand, a
そして、蒸発器20の出口側には前記圧縮機10の冷媒導入管20Aが接続されて圧縮機10に戻る環状のサイクルを構成している。
And the refrigerant |
係る冷媒サイクル装置210の冷媒としては地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素(CO2)が使用され、潤滑油としてのオイルはPAG(ポリアルキレングリコール)、POE(ポリオールエステル)等が使用される。
As the refrigerant of the
以上の構成で次に図2のp−h線図(モリエル線図)を参照しながら冷媒サイクル装置210の動作を説明する。図示しない制御装置により圧縮機10の図示しない駆動要素が駆動されると、圧縮機10の第1の圧縮要素30に低圧の冷媒ガスが吸い込まれ(図2のAの状態)、圧縮されて中間圧の冷媒ガスとなる(図2のBの状態)。そして、中間圧の冷媒ガスは冷媒導入管11を経由して第2の圧縮要素32に吸入される。このとき、中間圧の冷媒ガスは後述する中間圧力レシーバ16からの気相冷媒の合流により温度低下して図2のCの状態となる。そして、第2の圧縮要素32に吸い込まれた冷媒は2段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、冷媒吐出管10Aより外部に吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力(定格時7MPa程度。但し、環境条件により5MPa〜11MPaと変動する)まで圧縮されている(図2のDの状態)。
Next, the operation of the
冷媒吐出管10Aから吐出された冷媒ガスは放熱器12に流入し、そこで空冷方式若しくは水冷方式により放熱する。当該放熱器12において二酸化炭素冷媒は凝縮して、液化することなく超臨界の状態のまま、温度低下して図2のEの状態となる。
The refrigerant gas discharged from the
放熱器12にて放熱した冷媒は、冷媒配管12Aを経て第1の減圧装置13に至る。この第1の減圧装置13にて冷媒は先ず、上流側に設けられた第1のキャピラリチューブ14に流入し、当該キャピラリチューブ14を通過する過程で圧力が低下する(図2のFの状態)。
The refrigerant radiated by the
ここで、放熱器12を出た冷媒は上述の如く超臨界状態であるため、当該キャピラリチューブ14において冷媒は超臨界状態を維持したまま、若しくは、当該キャピラリチューブ14の出口付近で気相/液相の二相混合体となるだけで、第1のキャピラリチューブ14を通過する殆どの行程で超臨界状態のまま減圧される。
Here, since the refrigerant exiting the
係る超臨界状態の冷媒は優れた溶解特性を有する。このため、第1のキャピラリチューブ14の内径を0.1mm以上0.4mm以下と小さくしてもスラッジや水分、オイルによる目詰まりが生じ難くなる。
Such supercritical refrigerants have excellent dissolution characteristics. For this reason, even if the inner diameter of the first
従来のフロン系冷媒を用いた場合、キャピラリチューブは通常0.6mm程度の内径のものを使用しており、それ以上内径を縮小するとスラッジや水分、オイル等が詰まって、冷媒流通に支障を来す恐れがあった。 When using conventional chlorofluorocarbon refrigerants, the capillary tube usually has an inner diameter of about 0.6 mm. If the inner diameter is reduced further, sludge, moisture, oil, etc. are clogged and the refrigerant flow is hindered. There was a fear.
しかしながら、冷媒として二酸化炭素を使用し、第1のキャピラリチューブ14に入る冷媒圧力が超臨界状態となるようにすることで、第1のキャピラリチューブ14にて超臨界状態の冷媒を減圧することとなり、係る超臨界状態特有の優れた溶解特性により第1のキャピラリチューブ14の内径を0.1mm以上0.4mm以下と小さくすることができるようになる。これにより、圧力損失の少ない二酸化炭素冷媒を用いても、係る冷媒流通に支障が生じる不都合を回避し、第1のキャピラリチューブ14の寸法を縮小して、第1のキャピラリチューブ14における絞り効果を充分得ることができるようになる。
However, using carbon dioxide as a refrigerant, by refrigerant pressure entering the first
これにより、二酸化炭素を冷媒として用い、減圧度を大きくとらなければならない場合にも、第1のキャピラリチューブ14の長さを短くしてスペース効率を改善することができるようになる。
As a result, even when carbon dioxide is used as a refrigerant and the degree of decompression must be increased, the length of the first
尚、第1のキャピラリチューブ14にて減圧された冷媒は、その後第1のキャピラリチューブ14の下流側に設けられた第2のキャピラリチューブ25(内径が0.5mm以上0.6mm以下、寸法が0.5m以上2m以下の従来より用いられているものである。)に流入し、当該第2のキャピラリチューブ25における圧力低下により気体/液体の二相混合体とされ(図2のGの状態)、中間圧力レシーバ16に至る。また、中間圧力レシーバ16において冷媒は前記第1の減圧装置13における減圧効果で圧力が3MPa〜4MPa程度にまで低下している。そして、中間圧力レシーバ16において、冷媒は気相冷媒(飽和蒸気)と液相冷媒(飽和液)に分離され、気相冷媒は中間圧力レシーバ16内で図2の状態Hとなり、連通管40介して圧縮機10の冷媒導入管11に戻され、第1の圧縮要素30で圧縮された中間圧の冷媒と合流する。このとき、冷媒は図2のCの状態となる。
The refrigerant depressurized by the first
このように、中間圧力レシーバ16にて冷媒の気液を分離して、気体成分を連通管40から圧縮機12の冷媒導入管11に戻すことで、冷却に寄与しない気体成分を中間圧力レシーバ16以降の低圧側の冷媒回路に循環させず、この分だけ冷媒サイクルの効率を向上させることができる。特に、本発明の如く二酸化炭素冷媒を用いることで、中間圧力レシーバ16で分離される気相冷媒が従来のフロン系冷媒に比べて多くなり、係る気相冷媒を圧縮機10の冷媒導入管11から第2の圧縮要素32に導入することで、より効率の向上を図ることができる。
In this way, the gas-liquid of the refrigerant is separated by the
一方、液相冷媒は中間圧力レシーバ16内で一旦貯留されて、図2のIの状態となり、底部に設けられた冷媒配管16Aから当該中間圧力レシーバ16を出て膨張弁17にて更に絞られて、図2のJの状態となる。
On the other hand, the liquid phase refrigerant is temporarily stored in the
膨張弁17にて圧力低下した冷媒は配管17Aを介して蒸発器20内に流入する。そこで、冷媒は蒸発し、そのときに周囲から吸熱することにより冷却作用を発揮する。
The refrigerant whose pressure has been reduced by the
その後、蒸発器20を出た冷媒は圧縮機10の冷媒導入管20Aから第1の圧縮要素30に吸い込まれるサイクルを繰り返す(図2のAの状態)。
Thereafter, the refrigerant exiting the
このように、中間圧力レシーバ16にて気相冷媒を圧縮機10の第2の圧縮要素32に吸い込ませ、中間圧力レシーバ16内の液相冷媒を第2の減圧装置としての膨張弁17にて減圧した後、蒸発器20に導入するので、第1の圧縮要素30の冷媒流量を減少させることができるようになる。これにより、第1の圧縮要素30における圧縮動力を低減し、成績係数を向上させることができるようになる。
In this way, the
また、蒸発器20での冷媒流量が低下するので、蒸発器20での圧力損失も低減され、性能の向上が図れるようになる。
Moreover, since the refrigerant | coolant flow rate in the
更に、蒸発器20での液相冷媒の量が増加するので、伝熱性能が向上し、総じて性能の向上を図ることができるようになる。
Furthermore, since the amount of the liquid-phase refrigerant in the
上記実施例のように第2の減圧装置を電子式膨張弁にて構成する場合に限らず、例えば、図3に示す如く第2の減圧装置を従来のキャピラリチューブにて構成しても構わない。 The second decompression device is not limited to the electronic expansion valve as in the above embodiment, and for example, the second decompression device may be constructed with a conventional capillary tube as shown in FIG. .
図3はこの場合の冷媒サイクル装置410の冷媒回路図であり、27は第2の減圧装置としてのキャピラリチューブである。図3において図1と同一の符号が付されているものは同様、若しくは、類似の効果を奏するものとする。
FIG. 3 is a refrigerant circuit diagram of the
この場合にも超臨界状態の冷媒を先ず、内径の小さい第1のキャピラリチューブ14にて減圧することで、冷媒を充分に減圧することができるので、その下流側の第2のキャピラリチューブ25は内径を縮小したり、寸法を拡大すること無く、従来のキャピラリチューブを用いることができる。 Also in this case first a supercritical refrigerant, by vacuum in the first
尚、上記各実施例では一つの蒸発器20にて冷媒を蒸発させるものとしたが、複数台の蒸発器を並設して、各蒸発器にそれぞれ冷媒を流し、蒸発させるものとしても良い。この場合、例えば、図4のように配管16Aの途中部に分岐配管16Bを接続し、当該分岐配管16Bにキャピラリチューブ28と、蒸発器21を設ける。また、蒸発器21から出た分岐配管21Aは蒸発器20の出口側に接続された冷媒導入管20Aの途中部に接続するものとする。更に、蒸発器21の出口側の分岐配管21Aには、冷媒導入管20A側を順方向とする逆止弁24を設け、同様に冷媒導入管20Aには圧縮機10側を順方向とする逆止弁22を設置する。そして、分岐配管16Bの接続位置に三方弁19を設けて、当該三方弁19により、中間圧力レシーバ16にて気相冷媒と分離された液相冷媒をキャピラリチューブ27に流すか、キャピラリチューブ28に流すか、若しくは、両方に流すかを適宜制御することで、各蒸発器20、21にて選択的に冷媒を蒸発することができるようになる。
In each of the above-described embodiments, the refrigerant is evaporated by one
これにより、冷媒サイクル装置510を室内を空調する空気調和機として使用する場合には、各蒸発器20、21により、2室を選択的に冷却することができるようになる。また、冷媒サイクル装置510を冷蔵庫などに適用すれば、異なる2つの被冷却空間を同時、若しくは、選択的に冷却することができるようになる。これらにより、当該冷媒サイクル装置の汎用性の向上を図ることができる。
As a result, when the
10 圧縮機
11、20A 冷媒導入管
12 放熱器
12A、15A、16A、17A 冷媒配管
13 第1の減圧装置
14、25、27、28 キャピラリチューブ
15、17 電子式膨張弁
16 中間圧力レシーバ
19 三方弁
20、21 蒸発器
22、24、42 逆止弁
30 第1の圧縮要素
32 第2の圧縮要素
40 連通管
210、410、510 冷媒サイクル装置
DESCRIPTION OF
210, 410, 510 refrigerant cycle apparatus
Claims (1)
前記圧縮機は、第1の圧縮要素と、該第1の圧縮要素にて圧縮された冷媒を圧縮する第2の圧縮要素とを有し、前記中間圧力レシーバ内の気相冷媒を逆止弁を介して前記圧縮機の第2の圧縮要素に吸い込ませ、前記中間圧力レシーバ内の液相冷媒を前記膨張弁にて減圧した後、前記蒸発器に導入すると共に、
前記第1のキャピラリチューブの内径を前記第2のキャピラリチューブの内径より小さく、且つ、当該内径を0.1mm以上0.4mm以下で構成することを特徴とする冷媒サイクル装置。 A compressor circuit, a first capillary tube, a second capillary tube , an intermediate pressure receiver, an expansion valve, and an evaporator are sequentially connected in an annular manner to form a refrigerant circuit. Carbon dioxide is used as a refrigerant, and the high pressure side of the refrigerant circuit is supercritical. Operated with pressure,
The compressor has a first compression element and a second compression element which compresses a refrigerant compressed by the first compression element, the check valve to the gas-phase refrigerant in the intermediate pressure receiver And sucking into the second compression element of the compressor through the pressure reduction of the liquid phase refrigerant in the intermediate pressure receiver in the expansion valve , and then introduced into the evaporator,
A refrigerant cycle device characterized in that an inner diameter of the first capillary tube is smaller than an inner diameter of the second capillary tube, and the inner diameter is 0.1 mm or more and 0.4 mm or less .
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